DE2835332A1

DE2835332A1 - Kolben mit mindestens einer kolbenringnut und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2835332A1
Application number: DE19782835332
Authority: DE
Inventors: Walther Dipl Ing Hiller
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1978-08-11
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1980-02-21
Also published as: IT1120493B; IT7949995A0; GB2026649B; JPS5527587A; FR2433141B1; FR2433141A1; DE2835332C2; GB2026649A; US4360956A

Description

DR. DIETER V. PEZOLP ^ q O C O O J DIPL. ING. PETER SCHÜTZ ί,Ό ΟΌΟ O L DIPL. ING. WOLFGANG IIEUSLER

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STEIGERWALD STRAHLTECHNIK GMBH Haderunstraße la, 8000 München 70

KOLBEN MIT MINDESTENS EINER KOLBENRINGNUT UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zunv Herstellen eines solchen Kolbens.

Bei Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen stellen die gewöhnlich aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben mit den Kolbenringen ein verschleißgefährdetes System dar, das die Lebensdauer des ganzen Motors wesentlich mitbestimmt.

Ähnliche Probleme liegen auch bei anderen hochbelasteten Kolben vor, z.B. bei Kolbenverdichtern, Einspritzpumpen und dergleichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem Körper aus einer Aluminiumlegierung anzugeben, der eine höhere Verschleißbeständigkeit hat als die bekannten Kolben.

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POSTSCHECK MÜNCHEN NH. β 91 18 SOO · BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLZ T0O2OO40) KTO. 60802(5 78

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kolben sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Verschleiß der Seitenflanken der Nut, die den Kolben in der zylindrischen Seitenfläche des Kolbens aufnimmt, wesentlich zum raschen Verschleiß des Kolben-Kolbenringsystems beiträgt, da der Kolbenring nicht mehr so gut geführt und daher auch stärker beansprucht wird, wenn die Kolbenringnut infolge des Verschleißes ihrer Seitenflanken weiter wird und einen exakten Sitz für den Kolbenring nicht mehr bilden kann.

Es ist zwar aus der DE-OS 24 15 501 ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken oder Halbzeugen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bekannt, bei dem auf die Oberfläche des Werkstückes mindestens eine Schicht, die eines oder mehrere der Metalle Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel enthält, aufgebracht und mittels eines Elektronenstrahles in den Grundwerkstoff eingeschmolzen wird. Dem Werkstück kann durch eine nachfolgende abtragende Bearbeitung dann die endgültige Form verliehen v/erden.

Aus der DE-OS 21 34 662 ist ein Verfahren zum Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von wärmebeanspruchten Bauteilen, insbesondere Ventilen für Verbrennungskraftmaschinen, bekannt, bei dem die Oberflächenschicht des bruchgefährdeten Bereiches durch Elektronenstrahl behandlung bis zu einer begrenzten Tiefe umgeschmolzen wird. Das Verfahren wird am Beispiel von Bauteilen aus austenitischen Chrom-Mangan-Nickel-Legierungen beschrieben.

Es ist schließlich aus der DE-OS 24 58 856 ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschichtumkleidung auf einem Gegenstand bekannte bei dem

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eine Oberflächenschicht des Gegenstandes unter Zuführung eines Zusatzmateriales umgeschmolzen wird. Das Verfahren soll für Eisenmetalle und -legierungen einschließlich aller Guß- und Stahl arten verwendet werden.

Die Probleme hinsichtlich der Standfestigkeit der Seitenflanken von Kolbenringnuten wird in den Veröffentlichungen zum Stand der Technik jedoch nicht angesprochen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische, vereinfachte Teil ansicht eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine und

Figur 2 einen Teil des Kolbens gemäß Figur 1 im Radialschnitt.

In Figur 1 ist ein Kolben 10 einer Verbrennungskraftmaschine, z.B. eines Kraftfahrzeugmotors, dargestellt, der eine zylinderische Seitenfläche 12 hat, in der sich ringförmige Kolbenringnuten 14 befinden. Die Kolbenringnuten werden in Achsrichtung des Kolbens durch Seitenflanken 16 (Figur 2) begrenzt. Im Betrieb sind in den Kolbenringnuten 14 Kolbenringe 18 angeordnet, von denen einer in Figur 2 im Schnitt dargestellt ist.

Gemäß der Erfindung sind mindestens eine, vorzugsweise beide Seitenflanken einer oder mehrerer, vorzugsweise aller Kolbenringnuten 14 durch eine Energiestrahl -Umschmelzbearbeitung gehärtet. Die Umschmelzbearbeitung erfolgt vorzugsweise mittels eines Elektronenstrahls.

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Je nach Legierungstyp kann bereits allein durch eine Umschmelzbehandlung eine Erhöhung der Härte bewirkt werden. Vorzugsweise aber bringt man im Zuge der Umschmelzbehandlung in die in Figur 2 eng schraffiert dargestellte, umgeschmolzene Zone 22 Legierungszusätze ein, die besonders härtesteigernd wirken. Es können dies ein oder mehrere Elemente, wie Nickel und/oder eines der eingangs in Verbindung mit der DE-OS 24 15 501 erwähnten Elemente sein. Dabei ist es unwesentlich, ob diese Elemente in einer verhältnismäßig niedrigen, im Rahmen konventioneller Zusammensetzungen von Aluminiumlegierungen liegenden Konzentration in der Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers bereits enthalten sind oder nicht.

Vorzugsweise erfolgt die härtende Umschmelzbehandlung vor dem Einstechen der Kolbenringnuten in den Kolbenkörper 20 und vor dem Fertigbearbeiten der Außenfläche des KolLeiis. Hierzu wird an der Stelle, wo eine Flanke einer Kolbenringnut zu liegen kommt, eine Umschmelzspur 24 (Figur 2) von etwa parabelförmigem Querschnitt gelegt, deren Tiefe vorzugsweise etwas größer ist als die Tiefe der einzustechenden Nut 16' (Figur 2).

Alternativ kann jedoch auch eine Umschmelzspur 24* solcher Größe und Tiefe erzeugt werden, daß sie den Ort der beiden Seitenflanken der betreffenden Kolbenringnut umfaßt, wie bei den oberen beiden Kolbenringnuten in Figur 2 dargestellt ist.

Das zusätzliche Legierungselement oder die zusätzlichen Legierungselemente werden vorzugsweise vor der Umschmelzbehandlung als Schicht auf die Außenfläche des Kolbens aufgebracht; die Breite der Schicht ist dabei mindestens gleich der Breite der Aufschmelzspur an der Kolbenoberfläche. Die Dicke der Schicht wird entsprechend dem in der Umschmelzspur zu erzielenden mittleren Gehalt an dem oder den betreffenden Legierüngselementen gewählt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das zusätzliche Legierungselement oder die zusätzlichen Legierungselemente in Form eines Drahtes aufzubringen. Für die Aufnahme des Drahtes wird in der Zylinderfläche des Kolbenkörpers eine dem Drahtquerschnitt angepaßte Nut von einer dem Drahtdurchmesser etwa entsprechenden Tiefe angebracht. Der Durchmesser des Drahtes ist auf jeden Fall kleiner als die Breite der Aufschmelzspur und sein Querschnitt beträgt vorzugsweise 1/10 bis 1/10 des Querschnitts der Aufschmelzspur.

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Eine weitere Möglichkeit besteht schließlich darin, das Zusatzmaterial vor der Umschmelzbehandlung als eine mittels des Energiestrahles unter Verwendung von Zusatzmaterialdraht oder -band ausgeführte, schmale Auftragsschwei3spur oberflächlich aufgebracht wird. Auch hier wird der Querschnitt des Zusatzmaterials in Abhängigkeit von seinem Gehalt an dem Legierungselement oder den Legierungselementen so gewählt, daß sich in der endgültigen Umschmelzzone die gewünschte Legierungszusammensetzung ergibt.

Durch die Härtung der Seitenflanken der Kolbenringnuten ist eine exakte und sichere Führung des in der Kolbenringnut sitzenden Kolbenringes über lange Betriebszeiten gewährleistet, so daß sich auch eine höhere Lebensdauer der betreffenden Verbrennungskraftmaschine ergibt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

mit einem Körper aus einer Aluminiumlegierung, der eine im wesentlichen zylindrische Seitenfläche mit mindestens einer, zwei Seitenflanken aufweisenden Kolbenringnut hat, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Seitenflanke (16) der Kolbenringnut (14) durch eine mittels einer Energiestrahl-Umschmelzbehandlung gehärtete Zone (24, 24') des Körpers (20) gebildet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (24, 24') zusätzliche Legierungselemente enthält.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone mindestens eines der Elemente Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel zusätzlich oder in höherer Konzentration wie die Aluminiumlegierung, aus der der Hauptteil des Körpers (20) besteht, enthält.

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ORIGINAL INSPECTED
4. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flanken einer Kolbenringnut durch zwei getrennte Zonen (24), die durch eine Energiestrahl-Umschmelzbehandlung gehärtet sind, gebildet sind.
5. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , daß eine Zone des Kolbenkörpers, in die eine Flanke einer Kolbenringnut zu liegen kommt, durch eine Energiestrahl Umschmelzbehandlung gehärtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der beiden Flanken einer Kolbenringnut eine eigene Umschmelzzone erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Umschmelzzone größer ist als die Tiefe der Kolbenringnut.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umschmelzen mindestens ein zusätzliches Legierungselement in die Zone eingeführt wird.
9.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das (bzw. die) zusätzliche(n) Legierungselement(e) vor der Umschmelzbehandlung als Schicht an der Außenfläche des Kolbens aufgebracht wird (werden), wobei die Breite der Schicht mindestens gleich der Breite der herzustellenden Aufschmelzspur und die Dicke der Schicht entsprechend dem in der Aufschmelzspur zu erzielenden mittleren Gehalt an zusätzlichem Legierungselement gewählt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gek en η zeichnet, daß das (bzw. die) zusatz!iche(n) Legierungselement(e) vor der Umschmelzbehandlung in Form eines Drahtes aufgebracht wird (werden), der in eine in der Zylinderfläche des Kolbenkörpers entsprechend vorbereitete Nut von einer dem Drahtdurchmesser etwa entsprechenden Tiefe satt eingelegt ist, wo-

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bei der Durchmesser des Drahtes kleiner als die Breite der herzustellenden Aufschmelzspur ist und sein Querschnitt vorzugsweise 1/20 bis 1/10 des Querschnitts der Aufschmelzspur beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das (bzw. die) zusatz!iche(n) Legierungselement(e) vor der Aufschmelzbehandlung als eine mittels des Energiestrahles unter Verwendung von Zusatzdraht ausgeführte schmale Auftragsschweißspur oberflächlich auf den Kolbenkörper aufgebracht wird (werden).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzei chnet, daß die Umschmelzbehandlung mit einem Elektronenstrahl durchgeführt wird.

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